ICF点火靶定标关系与稳定性优化设计研究

激光等离子体相互作用（LPI）和瑞利-泰勒流体不稳定性（RTI）是影响间接驱动惯性约束聚变成功的两个主要不确定性因素。点火黑腔内环激光通道在靠近黑腔壁的区域是内环激光SRS背反产生与发展的主要区域。内环通道在该区域满足通道内外压力平衡和能量平衡条件。据此提出了间接驱动惯性约束聚变点火黑腔等离子体定标关系。结合描述靶丸内爆飞行阶段物理以及内爆性能的两个定标关系,提出了描述稳定性相对性能的指标。该指标可以指导点火靶设计,为LPI和RTI提供需要的裕量空间,是点火阈值因子（ITF）的补充。     

点火黑腔等离子体定标关系及350 eV靶黑腔设计

点火黑腔内环激光通道内靠近黑腔壁的区域是内环激光受激拉曼散射(SRS)背向散射产生与发展的主要区域。根据内环通道在该区域满足通道内外压力平衡和能量平衡,提出了间接驱动惯性约束聚变点火黑腔等离子体定标关系。该定标关系在一定程度上统筹考虑靶丸性能、激光器指标和激光等离子体相互作用(LPI)。在此基础上,根据靶丸抑制流体不稳定的需求,提出了一个350eV点火黑腔设计,该设计可以较好地抑制内环LPI的发展,并对激光器设计提出了更高的要求。     

点火黑腔等离子体定标关系及350 eV靶黑腔设计

点火黑腔内环激光通道内靠近黑腔壁的区域是内环激光受激拉曼散射（SRS）背向散射产生与发展的主要区域。根据内环通道在该区域满足通道内外压力平衡和能量平衡,提出了间接驱动惯性约束聚变点火黑腔等离子体定标关系。该定标关系在一定程度上统筹考虑靶丸性能、激光器指标和激光等离子体相互作用（LPI）。在此基础上,根据靶丸抑制流体不稳定的需求,提出了一个350 eV点火黑腔设计,该设计可以较好地抑制内环LPI的发展,并对激光器设计提出了更高的要求。     

ICF点火靶内环激光SRS抑制方法理论研究

激光等离子体相互作用(LPI)是制约在美国国家点火装置(NIF)上实现间接驱动惯性约束聚变的关键问题之一。LPI的激发不仅依赖于激光束功率密度与光束品质,还强烈依赖于光束所经过的等离子体状态。模拟显示,内环激光通道上靠近腔壁的He等离子体是受激拉曼散射(SRS)产生的主要区域。通过改变黑腔设计参数(包括构型、尺寸和填充物材料等)可以一定程度优化特定区域的等离子体状态,进而抑制LPI的产生。据此,提出了使用大黑腔高激光能量和改变填充气体组分两条控制SRS增长的技术路线。线性分析表明,两条技术路线效果明显,可分别将SRS峰值增益降低70%与63%。     

ICF点火靶内环激光SRS抑制方法理论研究

激光等离子体相互作用（LPI）是制约在美国国家点火装置（NIF）上实现间接驱动惯性约束聚变的关键问题之一。LPI的激发不仅依赖于激光束功率密度与光束品质,还强烈依赖于光束所经过的等离子体状态。模拟显示,内环激光通道上靠近腔壁的He等离子体是受激拉曼散射（SRS）产生的主要区域。通过改变黑腔设计参数（包括构型、尺寸和填充物材料等）可以一定程度优化特定区域的等离子体状态,进而抑制LPI的产生。据此,提出了使用大黑腔高激光能量和改变填充气体组分两条控制SRS增长的技术路线。线性分析表明,两条技术路线效果明显,可分别将SRS峰值增益降低70%与63%。     

激光惯性约束聚变中光学汤姆逊散射研究进展

当前,激光惯性约束聚变在越来越接近点火的极端能量密度条件下,实验与模拟的偏离逐渐增大,一个关键原因是缺乏对黑腔等离子体状态及其影响黑腔能量学和内爆对称性的细致研究和判断。光学汤姆逊散射主动式、诊断精确、参数完备的优点,使之成为激光惯性约束聚变黑腔等离子体状态参数精密诊断的标准方法。中国面向激光惯性约束聚变研究的光学汤姆逊散射实验技术的发展与神光系列激光装置的建设和在其上开展的物理实验紧密相关。近年来,四倍频汤姆逊散射实验技术在神光III原型和100 kJ激光装置上相继建立,部分实验结果不仅加深了对激光惯性约束聚变靶物理的认识,还反映了实验条件对汤姆逊散射诊断的影响,促进了实验技术的精密化发展。在未来,还需要进一步发展多支路汤姆逊散射、五倍频汤姆逊散射和超热相干汤姆逊散射等新技术,面向点火黑腔条件,大幅提升激光等离子体状态参数的诊断精度,开展新物理机制的探索和研究,在激光惯性约束聚变和其他高能量密度物理科学领域发挥更重要的作用。     

激光惯性约束聚变动理学效应研究进展

动理学效应的研究是近年来激光惯性约束聚变领域的研究热点,有助于理解实验结果和传统流体模拟之间的偏差。间接驱动黑腔中等离子体的温度、密度跨越多个量级且靶丸组分复杂,在局域的高温低密度区域,粒子的非平衡效应开始变得显著,可能会间接影响内爆性能。对ICF领域动理学效应的概念和部分进展做了简要综述。     

惯性约束聚变黑腔内等离子体界面处的动理学效应及其影响

在惯性约束聚变物理研究中,等离子体界面处的动理学效应及其时空演化特性近年来受到重点关注,因为它会显著影响激光能量沉积、激光等离子体不稳定性、辐照对称性、黑腔和内爆性能等诸多物理。准确描绘等离子体特征界面附近的动理学效应是惯性约束聚变物理设计的基本需求,也是高能量密度物理中的具有挑战且未完全解决的问题。重点回顾近几年来本团队围绕等离子体动理学效应及其影响开展的一些研究工作：（1）聚变黑腔中金等离子体与靶丸冕区等离子体边缘处的电场结构及其加速的高能离子对内爆对称性的影响;（2）激光光路上高Z-低Z等离子体界面处的电场产生机制及其导致的反常离子扩散对激光等离子体不稳定性的影响;（3）等离子体中电磁场结构的质子照相反演。     

在间接驱动内爆实验中采用花生腔增强对称性调控

在100 kJ激光装置上开展了基于三台阶整形脉冲的间接驱动惯性约束聚变内爆实验研究.采用传统充气直柱金壁黑腔设计,在激光脉冲作用后期,腔内金等离子体运动对激光能量沉积和X光辐射场空间分布产生严重扰动,导致靶丸赤道驱动偏弱,形成不可接受的扁圆内爆.本文采用新型的花生腔设计,通过调节外环激光光斑及其产生的金泡的初始位置,补偿和缓解金等离子体运动对黑腔X光辐射分布产生的扰动影响,获得球对称的靶丸辐射驱动.在靶丸驱动辐射温度相同的条件下,由于驱动对称性得到显著改善,实验观测到花生腔内爆热斑接近球形,中子产额的测量结果与内爆一维模拟计算结果的比值(YOS)达到30%;而直柱腔内爆热斑呈现扁圆形状, YOS仅为13%.模拟计算和实验结果一致表明,在三台阶整形脉冲驱动内爆实验中,花生腔设计可以有效抑制外环金泡膨胀加剧产生的不利因素,增强辐射驱动和内爆对称性调控,并提高内爆性能.     

点火黑腔二维模拟设计

基于二维激光靶耦合流体力学程序,研究设计惯性约束聚变间接驱动点火黑腔的方法.提出先调控X射线驱动温度再调控辐照均匀性的设计顺序.给出总激光功率(特别是主脉冲激光功率)的设计方法.模拟表明,填充气体密度的上限受到槽脉冲P²辐照不均匀性的限制.另外,增加腔长可以抑制靶丸烧蚀层物质的膨胀.最后给出点火黑腔二维设计结果.     

Optimum hot electron production with low-density foams for laser fusion by fast ignition

We propose a foam cone-in-shell target design aiming at optimum hot electron production for the fast ignition. A thin low-density foam is proposed to cover the inner tip of a gold cone inserted in a fuel shell. An intense laser is then focused on the foam to generate hot electrons for the fast ignition. Element experiments demonstrate increased laser energy coupling efficiency into hot electrons without increasing the electron temperature and beam divergence with foam coated targets in comparison with solid targets. This may enhance the laser energy deposition in the compressed fuel plasma.     

Vapour and plasma ignition thresholds for visible pulsed-laser ablation of metallic targets

The coupling of visible nanosecond laser pulses to metallic targets irradiated in vacuum is studied. The expressions of the vapour and plasma ignition times are obtained. Two cases for vapour breakdown in the plasma ignition process are considered. The first case is that 40 generations of new electrons are born in vapour generation time before plasma formation as assumed in the literature. The second case is that 10 generations of new electrons are born in vapour generation time. Molybdenum (Mo), niobium (Nb) and aluminium (Al) targets are considered for illustrations of our results. The expression of the plasma ignition time for the Al target is substantially different from that reported in the literature. The vapour and plasma ignition threshold laser intensities are calculated and compared with those reported in the literature. Reasons for disagreement are discussed. The plasma ignition threshold estimated in the second case is noted to be in good agreement with the reported experimental result.     

间接驱动快点火锥壳靶锥体材料燃料混合问题研究

与中心点火相比,快点火将压缩和点火过程分开,大大放宽了对压缩对称性和驱动能量的要求。通过在神光Ⅱ激光装置上开展了快点火锥壳靶预压缩实验研究,利用X射线背光分幅照相方法观察到了清晰完整的快点火锥壳靶内爆压缩过程,并利用阿贝反演结合剩余烧蚀质量的方法得到了不同时刻燃料密度、面密度分布数据,当前实验条件下获得的最大压缩密度和面密度分别为30g/cm3和50mg/cm2;为解决金柱腔M带对导引锥的预热以及由此导致的燃料-锥体材料混合问题,提出了一种在锥体表面镀低Z材料的方法,实验和辐射流体数值模拟结果验证了该方法的有效性,该方法的成功解决了间接驱动快点火激光聚变的重要关键技术问题。     

间接驱动快点火锥壳靶锥体材料燃料混合问题研究

与中心点火相比,快点火将压缩和点火过程分开,大大放宽了对压缩对称性和驱动能量的要求。通过在神光Ⅱ激光装置上开展了快点火锥壳靶预压缩实验研究,利用X射线背光分幅照相方法观察到了清晰完整的快点火锥壳靶内爆压缩过程,并利用阿贝反演结合剩余烧蚀质量的方法得到了不同时刻燃料密度、面密度分布数据,当前实验条件下获得的最大压缩密度和面密度分别为30 g/cm3和50 mg/cm2;为解决金柱腔M带对导引锥的预热以及由此导致的燃料-锥体材料混合问题,提出了一种在锥体表面镀低Z材料的方法,实验和辐射流体数值模拟结果验证了该方法的有效性,该方法的成功解决了间接驱动快点火激光聚变的重要关键技术问题。     

A new ignition hohlraum design for indirect-drive inertial confinement fusion

In this paper,a six-cylinder-port hohlraum is proposed to provide high symmetry flux on capsule.It is designed to ignite a capsule with 1.2-mm radius in indirect-drive inertial confinement fusion(ICF).Flux symmetry and laser energy are calculated by using three-dimensional view factor method and laser energy balance in hohlraum.Plasma conditions are analyzed based on the two-dimensional radiation-hydrodynamic simulations.There is no Y_(lm)(l≤4) asymmetry in the six-cylinder-port hohlraum when the influences of laser entrance holes(LEHs) and laser spots cancel each other out with suitable target parameters.A radiation drive with 300 eV and good flux symmetry can be achieved by using a laser energy of 2.3 MJ and peak power of 500 TW.According to the simulations,the electron temperature and the electron density on the wall of laser cone are high and low,respectively,which are similar to those of outer cones in the hohlraums on National Ignition Facility(NTF).And the laser intensity is also as low as those of NIF outer cones.So the backscattering due to laser plasma interaction(LPI) is considered to be negligible.The six-cyliner-port hohlraum could be superior to the traditional cylindrical hohlraum and the octahedral hohlraum in both higher symmetry and lower backscattering without supplementary technology at an acceptable laser energy level.It is undoubted that the hohlraum will add to the diversity of ICF approaches.